JP6373239B2 - 圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサ、血圧センサ及びタッチパネル - Google Patents

圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサ、血圧センサ及びタッチパネル Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサ、血圧センサ及びタッチパネルに関する。
MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いた圧力センサがある。圧力センサは、例えば、マイクロフォン、超音波センサ、血圧センサ及びタッチパネルなどに応用できる。磁気スピン技術を用いた圧力センサも提案されている。圧力センサにおいて、感度の向上が望まれる。
特開2013−205403号公報
本発明の実施形態は、感度を向上できる圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサ、血圧センサ及びタッチパネルを提供する。
本発明の実施形態によれば、圧力センサは、支持部と、膜部と、第1センサ部と、を含む。前記膜部は、変形可能である。前記膜部は、前記支持部によって支持された第1端部と、中心と、前記中心と前記第1端部との間に位置し第1剛性を有する第1領域と、前記第1領域と前記第1端部との間に位置し前記第1剛性よりも低い第2剛性を有する第2領域と、を含む。前記第1センサ部は、前記第1領域に設けられ、第1磁性層と、第2磁性層と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1中間層と、を含む。前記第1領域と前記第1端部との間の第1端部側距離は、前記第2領域と前記中心との間の第1中心側距離よりも短い。
図1(a)〜図1(e)は、第1の実施形態に係る圧力センサを例示する模式図である。 図2(a)〜図2(c)は、第1の実施形態に係る圧力センサの一部を例示する模式的断面図である。 図3(a)及び図3(b)は、第1の実施形態に係る圧力センサの特性を例示する模式図である。 図4(a)及び図4(b)は、圧力センサの特性を例示する模式図である。 図5は、第1の実施形態に係る別の圧力センサを例示する模式的斜視図である。 図6(a)〜図6(c)は、第1の実施形態に係る別の圧力センサを例示する模式的平面図である。 図7(a)及び図7(b)は、第1の実施形態に係る別の圧力センサを例示する模式的平面図である。 図8(a)〜図8(c)は、第2の実施形態に係る圧力センサを例示する模式的平面図である。 図9は、第3の実施形態に係る圧力センサを例示する模式的平面図である。 図10は、第4の実施形態に係るマイクロフォンを示す模式的断面図である。 図11は、第4の実施形態に係るマイクロフォンの使用状態を例示する模式図である。 図12は、第5の実施形態に係る血圧センサを例示する模式図である。 図13は、第6の実施形態に係るタッチパネルを例示する模式図である。
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
(第1の実施形態)
図1(a)〜図1(e)は、第1の実施形態に係る圧力センサを例示する模式図である。
図1(a)は、斜視図である。図1(b)は、図1(a)の矢印AR方向からみた平面図である。図1(c)は、図1(b)のA1−A2線断面図である。図1(d)は、図1(b)のA1−A2線断面の一部を例示している。図1(e)は、図1(b)のA1−A2線断面の別の一部を例示している。
図1(a)〜図1(c)に示すように、本実施形態に係る圧力センサ110は、支持部70Hと、膜部70と、第1センサ部51と、を含む。この例では、第2センサ部52がさらに設けられている。
膜部70は、変形可能である。膜部70は、第1端部70eと、中心70cと、第1領域71と、第2領域72と、を含む。この例では、膜部70は、第2端部70fと、第3領域73と、第4領域74と、をさらに含む。
第1端部70eは、支持部70Hにより支持される。第2端部70fは、支持部70Hに支持される。第1端部70eと第2端部70fとの間に、中心70cが配置される。
中心70cは、膜部70の中心である。すなわち、中心70cは、変形可能な領域の中心である。中心70cは、変形可能な領域の重心でも良い。
第1領域71は、中心70cと、第1端部70eと、の間に位置する。第1領域71は、例えば、第1剛性を有する。
第2領域72は、第1領域71と第1端部70eとの間に位置する。すなわち、第2領域72は、第1端部70eに近い。第1領域71は、中心70cに近い。第2領域72は、第2剛性を有する。第2剛性は、例えば、第1剛性よりも低い。
第3領域73は、中心70cと、第2端部70fとの間に位置する。第3領域73は、第3剛性を有する。第3剛性は、例えば、第1剛性と実質的に同じでも良い。第3剛性は、第1剛性と異なっても良い。
第4領域74は、第3領域73と第2端部70fとの間に位置する。すなわち、第4領域74は、第2端部70fに近い。第3領域73は、中心70cに近い。第4領域74は、第4剛性を有する。第4剛性は、例えば、第3剛性よりも低い。
実施形態において、「剛性」は、例えば、曲げ剛性である。「剛性」は、例えば、「平板」の曲げ剛性である。「剛性」は、例えば、「コルゲート形状の板」の曲げ剛性である。「剛性」は、曲げ変形のし難さを示す。「剛性」は、物体の断面形状と、物体の物性と、に基づく。例えば、物体の厚さh(メートル)、物体のヤング率E、及び、物体のポアソン比νを用いると、平板の「剛性」(曲げ剛性)D(N・m:ニュートン・メートル)は、簡易的に、E×h/(12×(1−ν))で表される。
第1センサ部51は、第1領域71に設けられる。第2センサ部52は、第3領域73に設けられる。
例えば、膜部70は、第1中心側領域70caをさらに含む。第1中心側領域70caと第2領域72との間に、第1領域71が設けられる。第1中心側領域70caは、例えば、中心70cと第1領域71との間に設けられる。
膜部70のうちで第1センサ部51が設けられる部分が、第1領域71に対応する。中心70cと第1領域71との間において、第1センサ部51が設けられない領域が、第1中心側領域70caに対応する。
例えば、膜部70は、第2中心側領域70cbをさらに含む。第2中心側領域70cbと第4領域74との間に、第3領域73が設けられる。第2中心側領域70cbは、例えば、中心70cと第3領域73との間に設けられる。
膜部70のうちで第2センサ部52が設けられる部分が、第3領域73に対応する。中心70cと第3領域73との間において、第2センサ部52が設けられない領域が、第2中心側領域70cbに対応する。
図1(d)に示すように、第1センサ部51は、第1磁性層11と、第2磁性層12と、第1中間層11Mと、を含む。第1中間層11Mは、第1磁性層11と第2磁性層12との間に設けられる。
第1磁性層11と第2磁性層12との間の電気抵抗は、膜部70の変形に伴い変化する。例えば、圧力センサ110に圧力が加わる。この圧力により、膜部70に応力が加わる。この応力により、膜部70が変形する。膜部70の変形に伴い、第1磁性層11の磁化及び第2磁性層12の磁化の少なくともいずれかが変化する。これは、例えば、逆磁歪効果に基づく。磁化の変化は、例えば、第1センサ部51に生じる異方性歪による逆磁歪効果に基づく。加わった圧力に応じて、第1磁性層11の磁化と第2磁性層12の磁化との間の角度が変化する。この角度の変化に応じて、第1磁性層11と第2磁性層12との間の電気抵抗が変化する。電気抵抗の変化を観測することで、加わった圧力が検出できる。
図1(e)に示すように、第2センサ部52は、第3磁性層13と、第4磁性層14と、第2中間層12Mと、を含む。第2中間層12Mは、第3磁性層13と第4磁性層14との間に設けられる。第2センサ部52においても、第3磁性層13と第4磁性層15との間の電気抵抗は、膜部70の変形に伴い変化する。すなわち、逆磁歪効果に基づく磁化の変化が生じ、電気抵抗が変化する。例えば、第2センサ部52に生じる異方性歪みによる逆磁歪効果に基づいて磁化の変化が生じる。これにより、電気抵抗が変化する。
実施形態において、第1センサ部51と中心70cとの間の距離(第1距離D1)は、第1センサ部51と第1端部70eとの間の距離(第2距離D2)よりも長い。すなわち、第1センサ部51は、第1端部70eに近い。第1センサ部51は、中心70cから遠い。
例えば、第1領域71と第1端部70eとの間の第1端部側距離Le1は、第2領域72と中心70cとの間の第1中心側距離Lc1よりも短い。
実施形態において、第2センサ部52と中心70cとの間の距離(第3距離D3)は、第2センサ部52と第2端部70fとの間の距離(第4距離D4)よりも長い。すなわち、第2センサ部52は、第2端部70fに近い。第2センサ部52は、中心70cから遠い。
例えば、第3領域73と第2端部70fとの間の第2端部側距離Le2は、第4領域74と中心70cとの間の第2中心側距離Lc2よりも短い。
このように、剛性が相対的に低い第2領域72を第1端部70eの近くに設け、その第2領域72と中心70cとの間に、剛性が相対的に高い第1領域71を配置する。この第1領域71に第1センサ部51を設ける。第2領域72を設けることで、膜部70において大きな変形が得られる。第2領域72において、大きな変形が得られる。その結果、第1領域71において、大きな歪(異方性歪)が生じる。これにより、第1センサ部51において、大きな応力が加わり、第1センサ部51において高い感度が得られる。
同様に、剛性が相対的に低い第4領域74を第2端部70fの近くに設け、その第4領域74と中心70cとの間に、剛性が相対的に高い第3領域73を配置する。この第3領域73に第2センサ部52を設ける。第4領域74を設けることで、膜部70において大きな変形が得られる。第4領域74において、大きな変形が得られる。その結果、第3領域73において大きな歪(異方性歪)が生じる。これにより、第2センサ部52において、大きな応力が加わり、第2センサ部52において高い感度が得られる。
膜部70の中心70cから第1端部70eに向かう方向を第1方向とする。第1方向をX軸方向とする。X軸方向に対して垂直な1つの軸をZ軸方向とする。X軸方向とZ軸方向とに対して垂直な方向をY軸方向とする。
膜部70から第1センサ部51に向かう方向(すなわち、第1領域71から第1センサ部51に向かう方向)を第2方向とする。第2方向は、例えば、Z軸方向に対応する。
第2端部70fは、第1方向(X軸方向)に沿って、第1端部70eと並ぶ。
例えば、第2センサ部52の少なくとも一部は、第1センサ部51の少なくとも一部と、X軸方向において離間する。例えば、第2センサ部52の少なくとも一部と、第1センサ部51の少なくとも一部と、の間に、膜部70の中心70cが位置する。
この例では、膜部70の形状は、実質的に長方形である。長方形の4つの外縁に沿って、第2領域72及び第4領域74が設けられている。
この例では、複数の第1センサ部51が設けられている。複数の第1センサ部51は、長方形の長辺に沿って並んでいる。複数の第2センサ部52が設けられている。複数の第2センサ部52は、長方形の長辺に沿って並んでいる。
支持部70Hは、例えば基板60の上に設けられる。支持部70Hにより、膜部70の周辺部が支持される。膜部70の上に複数の第1センサ部51が配置される。この例では、複数の第1センサ部51と基板60との間に、膜部70が配置される。膜部70の少なくとも一部と、基板60と、の間に、複数の第1センサ部51が配置されても良い。
図1(c)に示すように、膜部70は、基板60と離間している。膜部70と基板60との間に空間が設けられている。この空間には、例えば気体(空気など)が設けられても良い。この空間に、例えば液体が設けられても良い。
実施形態において、第2領域72の第2剛性は、第1領域71の第1剛性よりも低い。例えば、膜部70の厚さを変更することにより、剛性が変更できる。膜部70の材料を変更することで、剛性を変更できる。膜部70の断面形状を変更することで、剛性を変更できる。以下、剛性の変更に例について、説明する。
図2(a)〜図2(c)は、第1の実施形態に係る圧力センサの一部を例示する模式的断面図である。
これらの図は、膜部70の第1領域71及び第2領域72を例示している。
図2(a)に示す圧力センサ111においては、第2領域72の厚さ(Z軸方向に沿った長さ)は、第1領域71の厚さ(Z軸方向に沿った長さ)よりも薄い。
このとき、膜部70の材料は、同じである。第2領域72の厚さは、第1領域71の厚さの0.8倍以下である。第2領域72の厚さを第1領域71の厚さの0.8倍以下とすることで、第2領域72の剛性は、第1領域71の剛性の1/2以下になる。第2領域72が、変形し易くなる。第2領域72の厚さを過度に薄くすると、機械的強度が低くなる。例えば、膜部70として、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、ポリシリコン、酸化シリコン、窒化シリコン及び酸化アルミニウムの少なくともいずれかを用いることができる。
図2(b)に示す圧力センサ112においては、第2領域72のヤング率は、第1領域71のヤング率よりも低い。より好ましくは、膜部70の第2領域72の膜面に沿う方向のヤング率は、膜部70の第2領域72の膜面に対して垂直方向のヤング率よりも低い。このような異方性のヤング率が設けられる。第2領域72のヤング率(異方性のヤング率)を、第1領域71のヤング率よりも低くすることで、第2領域72の第2剛性を、第1領域71の第1剛性よりも低くできる。例えば、第1領域71として単結晶シリコン、アモルファスシリコン、ポリシリコン、酸化シリコン、窒化シリコンまたは酸化アルミニウムなどを用いる。このとき、第2領域72として、キシリレン含有樹脂(例えば、ポリ・パラ・キシリレン樹脂)などを用いる。第2領域72のヤング率を第1領域71のヤング率よりも低くすることで、第2領域72が変形し易くなる。
図2(c)に示す圧力センサ113においては、第2領域72は、コルゲート形状を有する。例えば、第2領域72は、第1部分p1と、第2部分p2と、を含む。第2部分p2は、第1部分p1と接続される。第1部分p1は、第1方向(膜部70の中心70cから第1端部70eに向かう方向)に延びる。第1方向は、例えば、X軸方向である。第2部分p2は、第2方向に延びる。第2方向は、膜部70から第1センサ部51に向かう方向(すなわち、第1領域71から第1センサ部51に向かう方向)である。第2方向は、例えばZ軸方向である。
このように、第2領域72に、延びる方向が互いに異なる複数の部分(第1部分p1及び第2部分p2)が設けられる。これにより、第2領域72は、変形し易くなる。
この例では、第1部分p1は、複数設けられている。第2部分p2は、複数の第1部分p1の間に設けられている。この例では、第2部分p2も、複数設けられている。複数の第1部分p1と、複数の第2部分p2と、は、交互に配置されている。実施形態において、複数の第1部分p1の数は、奇数でも良く、偶数でも良い。複数の第2部分p2の数は、奇数でも良く、偶数でも良い。
第2領域72がコルゲート形状を有する場合において、第2領域72の各部分の厚さは、第1領域71の厚さと同じでも良い。
第2領域72の各部分の厚さを第1領域71の厚さと実質的に同じとすると、例えば、第1領域71及び第2領域72を有する膜部70の形成が容易になる。
上記の圧力センサ111、112及び113においても、第1領域71と第1端部70eとの間の第1端部側距離Le1は、第2領域72と中心70cとの間の第1中心側距離Lc1よりも短い。これにより、第1センサ部51において高い感度が得られる。
以下、センサ部の感度の例について説明する。
図3(a)及び図3(b)は、第1の実施形態に係る圧力センサの特性を例示する模式図である。
図3(a)は、シミュレーションのモデルを示す模式的斜視図である。図3(b)は、シミュレーション結果を示すグラフ図である。シミュレーションにおいて、モデルの圧力センサ113aにおいては、コルゲート構造が適用されている。
図3(a)は、シミュレーションにおける膜部70の1/4の部分を例示している。シミュレーションにおいては、膜部70の形状は、円形である。円形の径方向がX軸方向に対応する。膜部70は、酸化アルミニウム膜である。膜部70のヤング率は、120GPaであり、膜部70のポアソン比は、0.24である。膜部70の第2領域72においては、コルゲート構造が設けられている。膜部70の中心70cと、第2領域72と、の間の距離は、膜70の半径の約4/5である。第2領域72と第1端部70eとの間の距離(すなわち、第2領域72の幅)は、約1/5である。
コルゲート構造において、コルゲート数は、4である。コルゲート数は、2つの第1部分p1と、2つの第2部分p2と、の組みの数である。コルゲート強度(高さの厚さに対する比)は、5である。
図3(b)は、膜部70が膜応力σで形成された際の、膜部70の「異方性歪傾き」を示している。この例では、音圧レベルSPL94dBの圧力±1Paが、膜部70に加えられる。図3(b)の横軸は、X軸方向における相対的な位置Pxである。縦軸は、異方性歪傾きS1である。異方性歪傾きS1は、印加圧力が±1Paの範囲での異方性歪の印加圧力に対する変化率である。異方性歪は、最大主歪(歪が最大となる方向における第1歪)と、最小主歪(歪が最小となる方向で、第1歪の方向に対して直交する方向における第2歪)と、の差である。異方性歪傾きS1が大きいときに、感度が高い。図3(b)において、異方性歪傾きS1は相対値として示している。
図3(b)において、膜部70の膜応力σが、±0MPa、+5MPa、+10MPa、または、+30MPaであるときの結果が示されている。
図3(b)に示すように、圧力センサ113aにおいては、X軸方向の相対的な位置Pxが、1.8以上2.2以下の範囲において、大きな異方性歪傾きS1が得られる。例えば、この範囲の領域に第1センサ部51を配置することで、高い感度が得られる。
図3(b)から分かるように、圧力センサ113aにおいては、膜部70の膜応力σが異なる場合(±0MPa、+5MPa、+10MPa、または、+30MPa)においても、大きな異方性歪傾きS1が得られる。圧力センサ113aは、膜応力σに対してロバストである。
図4(a)及び図4(b)は、圧力センサの特性を例示する模式図である。
これらの図は、参考例に係る圧力センサ199に対応する。図4(a)は、シミュレーションのモデルを示す模式的斜視図である。図4(b)は、シミュレーション結果を示すグラフ図である。
圧力センサ199においては、第2領域72が設けられていない。すなわち、円形の膜部70において、構成(厚さ、材料及び形状など)が均一である。
図4(b)に示すように、圧力センサ199においては、膜応力σが±0MPaであるときには、比較的大きな異方性歪傾きS1が得られる。しかしながら、膜応力σが、+5MPa、または、+10MPaであるときには、歪異方性傾きS1は、著しく小さい。例えば、膜部70が製造工程に伴う現実的な膜応力σを持つときに、十分な感度が得られない。
このように、図3(a)及び図3(b)に示す圧力センサ113aにおいては、圧力センサ199に比べて、高い感度が得られる。
圧力センサ111及び112においても、膜応力σが、±0MPa、+5MPa、+10MPa、または、+30MPaにおいて、大きな歪異方性傾きS1が得られる。
実施形態によれば、膜部70の膜応力σに対してロバストで、高感度な圧力センサを提供することができる。
実施形態においては、センサ部(第1センサ部51及び第2センサ部52)に磁性体が用いられる。そして、例えば、逆磁歪効果に基づいて、加えられる圧力が検出される。実施形態においては、異方性歪傾きが大きい領域の面積が広いときに高い感度が得られる。異方性歪傾きは、印加圧力に対する異方性歪の変化率である。異方性歪は、最大主歪と最小主歪との差である。異方性歪は、例えば、最大主歪(歪が最大となる方向における第1歪)と、最小主歪(歪が最小となる方向で、第1歪の方向に対して直交する方向における第2歪)と、の差である。剛性が互いに異なる第1領域71及び第2領域72を設け、第1領域71にセンサ部を設けることで、広い領域において大きな異方性歪傾きが得られる。
一方、磁性体を用いず、シリコンピエゾ抵抗素子をセンサ部に用いる参考例がある。この参考例においても、コルゲートによる膜応力の緩和効果が得られる。しかしながら、この参考例においては、異方性歪傾きが大きいこと、及び、異方性歪傾きが大きい領域の面積が広いこと、による効果を十分には得ることはできない。
実施形態において、例えば、支持部70Hは、例えば、シリコン基板を含んでも良い。膜部70は、例えば、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、ポリシリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、及び、酸化アルミニウムの少なくともいずれかを含む。
例えば、第2磁性層12が磁化固定層である場合、第2磁性層12は、例えば、Co−Fe−B合金を含む。例えば、第2磁性層12は、(CoFe1−x1−y合金(0≦x≦1、0≦y≦0.3、x及びyは原子パーセント)が用いられる。第2磁性層12には、例えば、Fe−Co合金などを用いてもよい。
第1中間層11Mは、例えば、第1磁性層11と第2磁性層12との間の磁気的な結合を分断する。第1中間層11Mは、例えば、金属、絶縁体、または、半導体を含む。この金属は、例えば、Cu、Au及びAgの少なくともいずれかを含む。絶縁体または半導体は、例えば、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、及び、酸化ガリウムの少なくともいずれかを含む。第1中間層11Mは、例えば、CCP(Current−Confined−Path)スペーサ層を含んでも良い。第1中間層11MとしてCCPスペーサ層を用いる場合には、例えば、第1中間層11Mは、絶縁層(例えば酸化アルミニウム層)と、その絶縁層を貫通するメタルパス(例えばCu)と、を含む。
第1磁性層11が磁化自由層である場合、第1磁性層11は、強磁性体材料を含む。第1磁性層11は、例えば、FeCo合金、または、NiFe合金を含む。第1磁性層11は、例えば、Fe及びCoの少なくともいずれかを含む合金を含んでも良い。第1磁性層11は、例えば、Co−Fe−B合金、Fe−Co−Si−B合金、Fe−Ga合金、Fe−Co−Ga合金、Tb−M−Fe合金、Tb−M1−Fe−M2合金、Fe−M3−MB合金、Ni、Fe−Al、または、フェライトを含んでも良い。Fe−Ga合金、Fe−Co−Ga合金、Tb−M−Fe合金、Tb−M1−Fe−M2合金、Fe−M3−MB合金、Ni、Fe−Al、及びフェライトにおいては、磁歪定数が大きい。
膜部70の平面形状は、例えば、長方形、正方形、多角形、円形、または、偏平円形などである。
基板60は、例えば、有機材料(例えば樹脂)を含む。基板60は、例えば、無機材料(例えばセラミック)を含んでも良い。
図5は、第1の実施形態に係る別の圧力センサを例示する模式的斜視図である。
図5は、膜部70の別の例を示している。図5は、膜部70の1/4の部分を例示している。図5に示すように、圧力センサ113bにおいては、膜部70の形状は、実質的に長方形である。この例では、第2領域72は、コルゲート構造を有する。この例では、コルゲート構造の第2領域72が、膜部70の長方形の4つの外縁に沿って設けられている。圧力センサ113bにおいても、高感度な圧力センサを提供することができる。
図6(a)〜図6(c)は、第1の実施形態に係る別の圧力センサを例示する模式的平面図である。
図6(a)に示すように、圧力センサ114aにおいては、膜部70の平面形状は、実質的に長方形である。膜部70に、第1領域71と、第2領域72と、第3領域73と、第4領域74と、が設けられている。
第1センサ部51が、第1領域71に設けられる。この例では、第1センサ部51は、複数設けられている。複数の第1センサ部51は、Y軸方向に沿って並ぶ。複数の第1センサ部51の少なくとも2つは、第1方向(X軸方向)と交差する方向(Y軸方向)に沿って並ぶ。第1領域71は、Y軸方向に沿って延在する。
第2センサ部52が、第3領域73に設けられる。この例では、第2センサ部52は、複数設けられている。複数の第2センサ部52は、Y軸方向に沿って並ぶ。複数の第2センサ部52の少なくとも2つは、第1方向(X軸方向)と交差する方向(Y軸方向)に沿って並ぶ。第3領域73は、Y軸方向に沿って延在する。例えば、第2センサ部52の少なくとも一部と、第1センサ部51の少なくとも一部と、の間に、膜部70の中心70cが位置する。
既に説明したように、膜部70は実質的に長方形である。例えば、膜部70において、第1領域71から第1センサ部51に向かう方向を、積層方向(Z軸方向)とする。積層方向に対して垂直な1つの方向を第1面内方向とする。積層方向と第1面内方向とに対して垂直な方向を第2面内方向とする。例えば、第1面内方向を、X軸方向(第1方向)とする。第2面内方向を、Y軸方向(第2方向)とする。
第1面内方向(X軸方向)に沿う膜部70の第1長さd1は、第2面内方向(Y軸方向)に沿う膜部70の第2長さd2さよりも短い。膜部70は、第1辺s1と、第2辺s2と、を含む。第1辺s1は、第1面内方向(X軸方向)に沿う。第2辺s2は、第2面内方向(Y軸方向)に沿う。第1辺s1は、短辺であり、第2辺s2は、長辺である。実施形態において、第2領域72は、第2辺s2に沿う。第2領域72は、第2辺s2に沿って延在する。第2領域72の第2辺s2に沿う方向(Y軸方向)の長さは、第2領域72の第1辺s1に沿う方向(X軸方向)の長さよりも長い。第4領域74の第2辺s2に沿う方向(Y軸方向)の長さは、第4領域74の第1辺s1に沿う方向(X軸方向)の長さよりも長い。
そして、このような第2領域72と中心70cとの間に、第1領域71が設けられる。第1領域71は、第2辺s2に沿う。第1領域71は、第2辺s2に沿って延在する。第1領域71の第2辺s2に沿う方向(Y軸方向)の長さは、第1領域71の第1辺s1に沿う方向(X軸方向)の長さよりも長い。
第4領域74と中心70cとの間に、第3領域73が設けられる。第3領域73は、第2辺s2の延在方向に沿う。第3領域73は、第2辺s2の延在方向に沿って延在する。第3領域73の第2辺s2に沿う方向(Y軸方向)の長さは、第3領域73の第1辺s1に沿う方向(X軸方向)の長さよりも長い。
実施形態において、第1辺s1と第2辺s2の長さが異なる場合、長い辺に沿ってセンサ部を配置することが好ましい。膜部70において、長い辺に沿う領域において、歪が大きい。このため、長いに辺に沿う領域に、センサ部を配置することで、高い感度が得られる。
図6(b)に示すように、圧力センサ114bにおいては、膜部70の平面形状は、実質的に円形である。膜部70に、第1領域71と、第2領域72と、第3領域73と、第4領域74と、が設けられている。第1領域71に第1センサ部51が設けられている。第3領域73に第2センサ部52が設けられている。
圧力センサ114bにおいては、第1端部70eと支持部70Hとの間の境界は、曲線状である。このように、膜部70の外形は、曲線状でも良い。
図6(c)に示すように、圧力センサ114cにおいては、膜部70の平面形状は、実質的に六角形である。膜部70に、第1領域71と、第2領域72と、第3領域73と、第4領域74と、が設けられている。第1領域71に第1センサ部51が設けられている。第3領域73に第2センサ部52が設けられている。複数の第1センサ部51は、膜部70の辺に沿って設けられている。複数の第2センサ部52は、膜部70の辺に沿って設けられている。
圧力センサ114a、114b及び114cも、第2領域72及び第4領域74が設けられている。これにより、感度を向上できる圧力センサが提供できる。
圧力センサ114aにおいては、第2領域72(または第4領域74)は、第1辺s1に沿ってもさらに設けられている。第2領域72(または第4領域74)は、例えば、膜部70の外縁に沿って設けられても良い。
図7(a)及び図7(b)は、第1の実施形態に係る別の圧力センサを例示する模式的平面図である。
図7(a)に示すように、圧力センサ115aにおいては、第1導電層55a、第2導電層55b、第3導電層55c及び第4導電層55dが設けられている。それ以外は、例えば、圧力センサ114aと同様である。
第1導電層55aは、第1磁性層11に電気的に接続されている。第2導電層55bは、第2磁性層12に電気的に接続されている。第3導電層55cは、第3磁性層13に電気的に接続されている。第4導電層55dは、第4磁性層14に電気的に接続されている。
これらの導電層は、配線である。これらの導電層のそれぞれの一部は、支持部70Hに設けられている。そして、導電層は、第2領域72または第4領域74と重ならない位置を通って、支持部70Hの上の部分(例えばパッド部)をセンサ部と電気的に接続する。
例えば、第1導電層55aの一部は、Z軸方向(第1領域71から第1センサ部51に向かう積層方向)において、支持部70Hと重なる。第1導電層55aの別の一部は、Z軸方向において、第2領域72と重ならない。
第2領域72は、剛性が低い部分である。第2領域72は、例えば、コルゲート構造を含む。第1導電層55aがこのような第2領域72を通過しないで、第1磁性層11と、支持部70Hの上の部分(例えばパッド部)と、の間を接続する。これにより、安定した電気的接続が得られる。
同様に、第2導電層55bの一部は、Z軸方向において支持部70Hと重なる。第2導電層55bの別の一部は、Z軸方向において、第2領域72と重ならない。第3導電層55cの一部は、Z軸方向において支持部70Hと重なる。第3導電層55cの別の一部は、Z軸方向において、第4領域74と重ならない。第4導電層55dの一部は、Z軸方向において支持部70Hと重なる。第4導電層55dの別の一部は、Z軸方向において、第4領域74と重ならない。
図7(b)に示すように、圧力センサ115bにおいても、第1導電層55a、第2導電層55b、第3導電層55c及び第4導電層55dが設けられている。圧力センサ116bにおいて、膜部70の外縁は曲線状である。膜部70の平面形状は、実質的に円形(偏平円形を含む)である。
(第2の実施形態)
図8(a)〜図8(c)は、第2の実施形態に係る圧力センサを例示する模式的平面図である。
図8(a)は、平面図である。図8(b)及び図8(c)は、断面図である。
図8(a)に示すように、本実施形態に係る圧力センサ120は、支持部70H、膜部70、第1センサ部51及び第2センサ部52に加えて、第3センサ部53及び第4センサ部53をさらに含む。支持部70H、膜部70、第1センサ部51及び第2センサ部52については、例えば、圧力センサ110と同様である。以下、第3センサ部53及び第4センサ部54について説明する。
第3センサ部53は、膜部70の第5領域75に設けられる。第4センサ部54は、膜部70の第7領域77に設けられる。
すなわち、膜部70は、第3端部70gと、第4端部70hと、第5領域75と、第7領域77と、を含む。この例では、膜部70は、第6領域76及び第8領域78をさらに含む。
第3端部70gは、支持部70Hに支持される。中心70cから第3端部70gに向かう方向は、中心70cから第1端部70eに向かう方向と交差する。中心70cから第3端部70gに向かう方向は、例えば、Y軸方向である。中心70cから第1端部70eに向かう方向は、X軸方向である。
第4端部70hは、支持部70Hに支持される。中心70cから第4端部70hに向かう方向は、中心70cから第1端部70eに向かう方向と交差する。中心70cから第4端部70hに向かう方向は、例えば、Y軸方向である。
第5領域75は、中心70cと第3端部70gとの間に位置する。第6領域76は、第5領域75と第3端部70gとの間に位置する。第7領域77は、中心70cと第7端部70hとの間に位置する。第8領域78は、第7領域77と第4端部70hとの間に位置する。第3センサ部53は、このような第5領域75に設けられる。第4センサ部54は、このような第7領域77に設けられる。
図8(b)に示すように、第3センサ部53は、第5磁性層15と、第6磁性層16と、第5磁性層15と第6磁性層16との間に設けられた第3中間層13Mと、を含む。 図8(c)に示すように、第4センサ部54は、第7磁性層17と、第8磁性層18と、第7磁性層17と第8磁性層18との間に設けられた第4中間層14Mと、を含む。
第5磁性層15の磁化、及び、第6磁性層16の磁化の少なくともいずれかは、第1磁性層11の磁化、及び、第2磁性層12の磁化の少なくともいずれかと交差する。第7磁性層17の磁化、及び、第8磁性層18の磁化の少なくともいずれかは、第1磁性層11の磁化、及び、第2磁性層12の磁化の少なくともいずれかと交差する。
例えば、第3センサ部53の磁化の方向は、第1センサ部51の磁化の方向とは異なる。例えば、第3センサ部53の磁化の方向は、第1センサ部51の磁化の方向と直交する。例えば、第4センサ部54の磁化の方向は、第1センサ部51の磁化の方向とは異なる。例えば、第4センサ部54の磁化の方向は、第1センサ部51の磁化の方向と直交する。例えば、第2センサ部52の磁化の方向は、第1センサ部51の磁化の方向に沿う。
例えば、第1センサ部51及び第2センサ部52に加わる異方性歪の極性は、第3センサ部53及び第4センサ部54に加わる異方性歪の極性とは、異なる。このようなセンサ部において、第3センサ部53の磁化の方向を第1センサ部51の磁化の方向と変えることで、より高感度の検出が可能になる。第4センサ部54の磁化の方向を第1センサ部51の磁化の方向と変えることで、より高感度の検出が可能になる。
圧力センサ120においては、例えば、膜部70の直交する2つの辺のそれぞれの近傍に、センサ部が設けられている。すなわち、第1センサ部51と中心70cとを通る第1直線Ln1(X軸方向に沿う直線)と、第3センサ部53と中心70cとを通る第2直線Ln2(Y軸方向に沿う直線)と、の間の角度は、70度以上110度以下(例えば、約90度)である。
圧力センサ120においても、第2領域72及び第4領域74が設けられている。これにより、感度を向上できる圧力センサが提供できる。そして、第3センサ部53及び第4センサ部54を設けることにより、さらに高い感度が得られる。
(第3の実施形態)
図9は、第3の実施形態に係る圧力センサを例示する模式的平面図である。
図9に示すように、本実施形態に係る圧力センサ130は、支持部70Hと、膜部70と、第1センサ部51と、第2センサ部52と、第1端センサ部51Aと、第2端センサ部52Aと、を含む。膜部70は、変形可能である。膜部70は、第1端部70eと、中心70cと、第1領域71と、第2領域72と、第1端領域72Aと、を含む。第1端部70eは、支持部70Hによって支持される。第1領域71は、中心70cと第1端部70eとの間に位置する。第2領域72は、第1領域71と第1端部70eとの間に位置する。第1端領域72Aは、第2領域72と第1端部70eとの間に設けられる。
第1センサ部51は、第1領域71に設けられる。第1端センサ部51Aは、第1端領域72Aに設けられる。
膜部70は、第2端部70fと、第3領域73と、第4領域74と、第2端領域74Aと、をさらに含む。第3領域73は、中心70cと、第2端部70fとの間に位置する。第4領域74は、第3領域73と第2端部70fとの間に位置する。第2端領域74Aは、第4領域74と第2端部70fとの間に設けられる。
第2センサ部52は、第3領域73に設けられる。第2端センサ部52Aは、第2端領域74Aに設けられる。
第2領域72の剛性は、第1領域71の剛性よりも低い。例えば、第2領域72の剛性は、第1端領域72Aの剛性よりも低い。第4領域74の剛性は、第3領域73の剛性よりも低い。例えば、第4領域74の剛性は、第2端領域74Aの剛性よりも低い。圧力センサ130においても、感度を向上できる圧力センサが提供できる。
(第4の実施形態)
図10は、第4の実施形態に係るマイクロフォンを示す模式的断面図である。
図10に示すように、本実施形態に係るマイクロフォン240は、上記の実施形態に係る圧力センサ(この例では圧力センサ110)を含む。この図では、センサ部は省略されている。
圧力センサ110は、アンプなどの回路248を含んでも良い。膜部70の上に、カバー243が設けられている。カバー243には、開口242が設けられている。音波244は、開口242を通ってカバー243の内部に進入する。マイクロフォン240は、音波244の音圧に対して感応する。音波244は、可聴域の信号である。音波244は、例えば、超音波を含んでも良い。
図11は、第4の実施形態に係るマイクロフォンの使用状態を例示する模式図である。 図11に示すように、マイクロフォン240は、携帯情報端末250に組み込まれても良い。マイクロフォン240は、ICレコーダまたはピンマイクロフォンなどに適用されてもよい。
(第5の実施形態)
図12は、第5の実施形態に係る血圧センサを例示する模式図である。
図12に示すように、血圧センサ260は、上記の実施形態に係る圧力センサ(この例では圧力センサ110)を含む。この図では、膜部70及びセンサ部などは、省略されている。血圧センサ260は、例えば、人間の血圧を測定する。血圧センサ260において、例えば、圧力センサ110が、動脈血管262の上の皮膚263に押し当てられる。連続的に血圧測定が行われる。本実施形態によれば、感度を向上できる血圧センサが提供できる。
(第6の実施形態)
図13は、第6の実施形態に係るタッチパネルを例示する模式図である。
図13に示すように、本実施形態に係るタッチパネル270は、上記の実施形態に係る複数の圧力センサ(この例では圧力センサ110)を含む。タッチパネル270は、さらに、複数の第1配線274、複数の第2配線275、及び、制御部276を備える。圧力センサ110は、例えば、ディスプレイの内部及びディスプレイの外部の少なくともいずれかに搭載される。
複数の第1配線274は、1つの方向に沿って並ぶ。複数の第1配線274のそれぞれは、上記の1つの方向と交差する別の方向に沿って延びる。複数の第2配線275は、上記の別の方向に沿って並ぶ。複数の第2配線275のそれぞれは、上記の1つの方向に沿って延びる。
複数の圧力センサ110のそれぞれは、複数の第1配線274と複数の第2配線275とのそれぞれの交差部に設けられる。圧力センサ110の各々は、検出のための検出要素270eの1つとなる。交差部は、第1配線274と第2配線275とが交差する位置及びその周辺の領域を含む。
複数の圧力センサ110のそれぞれの一端272は、複数の第1配線274のそれぞれと接続される。複数の圧力センサ110のそれぞれの他端273は、複数の第2配線275のそれぞれと接続される。
制御部276は、複数の第1配線274と複数の第2配線275とに接続される。制御部276は、複数の第1配線274に接続された第1配線用回路276aと、複数の第2配線275に接続された第2配線用回路276bと、第1配線用回路276aと第2配線用回路276bとに接続された制御回路277と、を含む。
圧力センサ110においては、小型で高感度な圧力センシングが可能である。高精細なタッチパネルを実現することが可能である。
上記の実施形態に係る圧力センサ及びその変形の圧力センサは、例えば、気圧センサまたは、空気圧センサなどに利用できる。
実施形態によれば、感度を向上できる可能な圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサ、血圧センサ及びタッチパネルが提供できる。
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、圧力センサに含まれるセンサ部、膜部及び支持部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサ、血圧センサ及びタッチパネルを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサ、血圧センサ及びタッチパネルも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
11〜18…第1〜第8磁性層、 11M〜14M…第1〜第8中間層、 51〜54…第1〜第4センサ部、 55a〜55d…第1〜第4導電層、 60…基板、 70…膜部、 70H…保持部、 70c…中心、 70ca…第1中心側領域、 70cb…第2中心側領域、 70e〜70h…第1〜第4端部、 71〜78…第1〜第4領域、 72h、74h…孔、 72A…第1端領域、 74A…第2端領域、 110〜113、113a、113b、114a〜114c、115a、115b、120、130、199…圧力センサ、 240…マイクロフォン、 242…開口、 243…カバー、 244…音波、 250…携帯情報端末、 260…血圧センサ、 262…動脈血管、 263…皮膚、 270…タッチパネル、 270e…検出要素、 272…一端、 273…他端、 274…配線、 275…配線、 276…制御部、 276a…第1配線用回路、 276b…第2配線用回路、 277…制御回路、 AR…矢印、 D1〜D4…第1〜第4距離、 Lc1、Lc2…第1、第2中心側距離、 Le1、Le2…第1、第2中心側距離、 Ln1、Ln2…第1、第2直線、 Px…位置、 S1…歪異方性傾き、 d1、d2…第1、第2長さ、 p1、p2…第1、第2部分、 s1、s2…第1、第2辺

Claims (10)

  1. 支持部と、
    変形可能な膜部であって、
    前記支持部によって支持された第1端部と、
    中心と、
    前記中心と前記第1端部との間に位置し第1剛性を有する第1領域と、
    前記第1領域と前記第1端部との間に位置し前記第1剛性よりも低い第2剛性を有する第2領域と、
    を含む前記膜部と、
    前記第1領域に設けられ、第1磁性層と、第2磁性層と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1中間層と、を含む第1センサ部と、
    を備え、
    前記第1領域と前記第1端部との間の第1端部側距離は、前記第2領域と前記中心との間の第1中心側距離よりも短い、圧力センサ。
  2. 前記第2領域の厚さは、前記第1領域の厚さよりも薄い、請求項1記載の圧力センサ。
  3. 前記第2領域のヤング率は、前記第1領域のヤング率よりも低い、請求項1記載の圧力センサ。
  4. 前記第2領域は、コルゲート形状を有する、請求項1記載の圧力センサ。
  5. 支持部と、
    可撓性を有する膜部であって、
    前記支持部によって支持された第1端部と、
    中心と、
    前記中心と前記第1端部との間に位置する第1領域と、
    前記第1領域と前記第1端部との間に位置する第2領域と、
    を含む前記膜部と、
    前記第1領域に設けられ、第1磁性層と、第2磁性層と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1中間層と、を含む第1センサ部と、
    を備え、
    前記第2領域は、
    前記中心から前記第1端部に向かう第1方向に延びる第1部分と、
    前記第1部分と接続され前記第1領域から前記第1センサ部に向かう第2方向に延びる第2部分と、
    を含み、
    前記第1領域と前記第1端部との間の第1端部側距離は、前記第2領域と前記中心との間の第1中心側距離よりも短い、圧力センサ。
  6. 前記第1部分は、複数設けられ、
    前記第2部分は、前記複数の第1部分の間に設けられる、請求項5記載の圧力センサ。
  7. 前記第1部分は、複数設けられ、
    前記第2部分は、複数設けられ、
    前記複数の第1部分と、前記複数の第2部分は、交互に配置される、請求項5記載の圧力センサ。
  8. 前記第1センサ部は、複数設けられ、
    前記複数の第1センサ部の少なくとも2つは、前記第1方向と交差する方向に沿って並ぶ、請求項5〜7のいずれか1つに記載の圧力センサ。
  9. 前記第1領域から前記第1センサ部に向かう積層方向に対して垂直な第1面内方向に沿う前記膜部の第1長さは、前記積層方向と前記第1面内方向とに対して垂直な第2面内方向に沿う前記膜部の第2長さよりも短く、
    前記膜部は、
    前記第1面内方向に沿う第1辺と、
    前記第2面内方向に沿う第2辺と、
    を含み、
    前記第2領域は、前記第1辺と第2辺に沿う、請求項1〜8のいずれか1つに記載の圧力センサ。
  10. 請求項1〜9のいずれか1つに記載の圧力センサを備えたマイクロフォン、超音波センサ、血圧センサ、または、タッチパネル。
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